大脑如何“构建”外部世界

当我还是一名年轻的课程讲师，为医学生举办研讨会时，我忠实地按照教科书教授神经生理学，热情地解释大脑如何感知世界和控制身体。来自眼睛、耳朵等的感官刺激转化为电信号，然后传输到感觉皮层的相关部分，这些部分处理这些输入并诱导感知。为了启动运动，来自运动皮层的冲动指示脊髓神经元产生肌肉收缩。

大多数学生对我的教科书式的大脑输入-输出机制解释感到满意。然而，少数——聪明的学生——总是会问一系列令人尴尬的问题。“感知发生在大脑的哪个位置？”“在运动皮层中的细胞放电之前，是什么启动了手指运动？”我总是用一个简单的答案来回应他们的疑问：“这一切都发生在 neocortex 中。”然后我会巧妙地转移话题，或者使用一些我的学生并不真正理解但听起来足够科学的晦涩拉丁术语，以便我听起来权威的解释暂时让他们满意。

像其他年轻研究人员一样，我开始了对大脑的研究，并没有过多担心这种感知-行动理论框架是对还是错。多年来，我对自己的进步以及逐渐演变成 20 世纪 60 年代被称为“神经科学”领域的壮观发现感到高兴。然而，我一直无法对最聪明的学生提出的合理问题给出令人满意的答案，这一直困扰着我。我不得不努力解释一些我并不真正理解的东西。

多年来，我意识到这种挫败感并非我独有。我的许多同事，无论他们是否承认，都有同感。不过，也有光明的一面，因为这些挫败感激发了我的事业。它们促使我发展出一种视角，这种视角提供了关于大脑如何与外部世界互动的另一种描述。

我和其他神经科学家面临的挑战涉及一个重要的问题，即心智到底是什么。自从亚里士多德时代以来，思想家们一直认为灵魂或心智最初是一张白板，一块经验被描绘在上面的白板。这种观点影响了基督教和波斯哲学、英国经验主义和马克思主义学说中的思想。在上个世纪，它也渗透到心理学和认知科学中。这种“由外而内”的观点将心智描绘成一种工具，用于了解世界的真实本质。另一种观点——一种定义了我的研究的观点——断言，大脑网络的主要关注点是维持自身内部的动态，并不断产生无数无意义的神经活动模式。当看似随机的动作为生物体的生存带来益处时，导致该动作的神经元模式就获得了意义。当婴儿发出“te-te”声时，父母会高兴地给婴儿“泰迪熊”，因此“te-te”的声音获得了泰迪熊的意义。神经科学的最新进展为这个框架提供了支持。

大脑“代表”世界吗？

在早期的思想家给心理运作起了“白板”之类的名字几千年后，神经科学继承了白板框架。即使在今天，我们仍然在寻找可能与他们梦想的想法相关的神经机制。“由外而内”框架的主导地位体现在传奇科学二人组大卫·休伯尔和托尔斯滕·维厄塞尔的杰出发现中，他们引入了单神经元记录来研究视觉系统，并于 1981 年被授予诺贝尔生理学或医学奖。在他们的标志性实验中，他们在动物身上记录神经活动，同时向它们展示各种形状的图像。移动的线条、边缘、明暗区域和其他物理特性引发了不同神经元集合的放电。假设是神经元计算从简单的模式开始，这些模式被合成为更复杂的模式。然后，这些特征在大脑的某个地方结合在一起以表示一个物体。不需要主动参与。大脑会自动执行此练习。

“由外而内”框架假定大脑的基本功能是感知来自世界的“信号”并正确解释它们。但是，如果这个假设是真的，那么还需要一个额外的操作来响应这些信号。在感知输入和输出之间，存在一个假设的中央处理器——它接收来自环境的感觉表征，并决定如何处理它们以执行正确的动作。

那么，在这个“由外而内”范式中，中央处理器到底是什么？这个知之甚少且推测性的实体有各种名称——自由意志、小人、决策者、执行功能、中间变量，或者仅仅是一个“黑匣子”。这一切都取决于实验者的哲学倾向，以及所讨论的心理运作是否应用于人脑、其他动物的大脑或计算机模型。然而，所有这些概念都指的是同一件事。

“由外而内”框架的一个隐含的实际意义是，当代神经科学进步的下一个前沿应该是找到假定的中央处理器在大脑中的位置，并系统地阐述决策的神经元机制。事实上，决策生理学已成为当代神经科学中最受欢迎的焦点之一。更高阶的大脑区域，例如前额叶皮层，已被假定为“所有事物汇集在一起”和“所有输出都被启动”的地方。然而，当我们更仔细地观察时，“由外而内”框架就站不住脚了。

这种方法无法解释视网膜上的光子如何转化为夏季郊游的回忆。“由外而内”框架需要人为地插入一个观察此事件的人类实验者[参见由外而内与由内而外图]。之所以需要中间的实验者，是因为即使神经元在感觉器官上的受体受到刺激时（例如，通过光或声音）改变了它们的放电模式，这些变化本身并不“代表”任何可以被大脑吸收和整合的东西。视觉皮层中对玫瑰图像做出反应的神经元一无所知。它们没有“看到”花的出现。它们只是响应来自大脑其他部分的输入而产生电振荡，包括那些沿着来自视网膜的多条复杂通路到达的输入。

换句话说，感觉皮层区域甚至假设的中央处理器中的神经元都“看不到”世界上发生的事件。大脑中没有解释器来为神经元放电模式的这些变化赋予意义。如果没有一个神奇的小人以实验者的全知全能来观察大脑中所有神经元的活动，那么吸收这一切的神经元就不知道导致其放电模式发生变化的事件。神经元活动的波动只有对于处于观察大脑事件和外部世界事件并将两者视角进行比较的特权地位的科学家而言才有意义。

感知是我们所做的事情

由于神经元无法直接接触外部世界，因此它们需要一种方法来比较或“接地”其放电模式与其他事物。“接地”一词指的是大脑回路为感觉输入引起的神经元放电模式的变化赋予意义的能力。它们通过将这种活动与别的东西联系起来来完成这项任务。“dah-dah-dit”摩尔斯电码模式只有在之前与字母“G”链接时才变得有意义。在大脑中，当我们启动某些动作时，似乎会出现第二种意见的唯一来源。

我们通过移动在水中看起来弯曲的棍子来了解它们没有断裂。同样，两棵树和两个山峰之间的距离可能看起来相同，但通过四处走动和改变视角，我们了解了差异。

“由外而内”框架遵循从感知到决策再到行动的事件链。在这个模型中，专用感觉区域的神经元被环境信号“驱动”，因此无法将其活动与其他事物联系起来。但是大脑不是串行处理单元；它不会一个接一个地进行每个步骤。相反，一个人采取的任何行动都涉及大脑的运动区域通知大脑皮层的其余部分关于启动的动作——这种信息被称为推论放电。

启动动作的神经元回路致力于两项任务。第一项是向控制眼睛和其他身体传感器（手指和舌头等）的肌肉发送命令。这些回路将身体传感器定向到最佳方向，以便深入调查输入的来源，并增强大脑识别来自感官的最初模糊不清的传入信号的性质和位置的能力。

这些相同的动作回路的第二项任务涉及向感觉和更高阶的大脑区域发送通知——推论放电。将它们想象成挂号信收据。启动眼球运动的神经元还会通知视觉感觉皮层区域正在发生的事情，并消除歧义，例如，花是在风中移动还是被观察它的人处理。

这种推论信息为感觉回路提供了接地所需的第二种意见——确认“我自己的行动是变化的动因”。当一个人采取行动来调查花及其与该人和其他物体的关系时，也会向大脑的其他部分发送类似的推论信息。如果没有这种探索，仅来自花的刺激——到达连接到没有经验的大脑的视网膜的光子——永远不会成为提供对花的大小和形状的有意义描述的信号。那么，感知可以定义为我们所做的——而不是我们通过感官被动接受的东西。

您可以演示推论放电机制的一个简单版本。用一只手捂住一只眼睛，用另一只手的指尖以大约每秒三次的频率轻轻按压另一只眼睛的侧面，同时阅读本文。您会立即看到页面来回移动。相比之下，当您自然地移动眼睛来阅读或环顾房间时，似乎没有任何其他东西在移动。这种恒定性之所以发生，是因为启动眼球运动以扫描句子的神经元也会向视觉系统发送推论信号，以指示是世界还是眼球在移动，从而稳定您周围环境的感知。

通过匹配学习

当用于解释学习机制时，“由外而内”和“由内而外”方法之间的对比变得最为引人注目。白板模型的一个默认假设是大脑的复杂性随着经验的积累而增长。随着我们的学习，大脑回路的相互作用应该变得越来越复杂。然而，在“由内而外”框架中，经验不是大脑复杂性的主要来源。

相反，大脑将自身组织成大量预先形成的放电模式，称为神经元轨迹。这种自组织大脑模型可以比作一本最初充满了无意义单词的词典。新的经验不会改变这些网络的功能——例如，它们的总体活动水平。相反，学习是通过将预先存在的神经元轨迹与世界事件相匹配的过程发生的。

要理解匹配过程，我们需要检查大脑动力学对经验施加的优势和约束。在基本版本中，白板神经元网络的模型假设收集了大量相似的、随机连接的神经元。假设是大脑回路具有高度可塑性，并且任何任意输入都可以改变神经元回路的活动。

我们可以通过考虑人工智能领域的一个例子来看到这种方法的谬误。经典的人工智能研究——特别是被称为连接主义的分支，人工神经网络的基础——坚持“由外而内”的白板模型。这种流行的观点在 20 世纪可能被伟大的思维建模先驱艾伦·图灵最明确地推广：“大概儿童的大脑就像从文具店购买的笔记本一样，”他写道。

旨在将输入“写入”神经回路的人工神经网络经常会失败，因为每个新的输入都不可避免地会修改电路的连接和动力学。据说该电路表现出可塑性。但是存在一个缺陷。当人工智能系统在学习时不断调整其网络中的连接时，在不可预测的点，它可以擦除所有存储的记忆——这种错误被称为灾难性干扰，这是真实大脑永远不会经历的事件。

相比之下，“由内而外”模型表明，自组织大脑网络应该抵抗这种扰动。然而，它们也应该在需要时选择性地表现出可塑性。大脑实现这种平衡的方式与不同神经元群体的连接强度差异巨大有关。神经元之间的连接存在于连续体上。大多数神经元与其他神经元的连接都很弱，但较小的子集保留了强大的链接。强连接的少数群体始终处于警戒状态。它快速放电，在其自身群体内轻松共享信息，并顽固地抵抗对神经元线路的任何修改。由于连接众多且通信速度快，这些精英子网络（有时被称为“富人俱乐部”）始终充分了解整个大脑的神经元事件。

勤劳的富人俱乐部约占神经元总人口的 20%，但它负责大脑近一半的活动。与富人俱乐部相比，大脑的大多数神经元——神经“穷人俱乐部”——倾向于缓慢放电并且与其他神经元的连接很弱。但它们也具有高度可塑性，并且能够物理地改变神经元之间的连接点，称为突触。

富人俱乐部和穷人俱乐部都是维持大脑动力学的关键。随时准备就绪的富人俱乐部的成员对各种经验做出类似的反应。它们在大多数情况下提供快速、足够好的解决方案。我们对未知事物做出好的猜测，不是因为我们记住了它，而是因为我们的大脑总是对新的、不熟悉的事件做出推测。对于大脑来说，没有什么完全是新颖的，因为它总是将新的事物与旧的事物联系起来。它概括化。即使是没有经验的大脑也拥有大量的神经元轨迹储备，为将世界事件与预先存在的大脑模式相匹配提供了机会，而无需对连接进行大量重新配置。一个不断重塑自身的大脑将无法快速适应外部世界快速变化的事件。

但可塑的、慢放电率的神经元也发挥着关键作用。当检测到对生物体重要的东西并且需要记录以供将来参考时，这些神经元就会发挥作用。然后，它们继续调动其庞大的储备，通过改变与其他神经元的一些连接强度来捕捉事物之间微妙的差异。孩子们在看到各种犬类后学会了“狗”这个词的含义。当一个年轻人第一次看到绵羊时，他们可能会说“狗”。只有当区分很重要时——理解宠物和牲畜之间的区别——他们才会学会区分。

认知作为内在化的行动

作为一名实验者，我并没有打算建立一个与“由外而内”框架对立的理论。只有在我开始研究大脑回路的自组织以及海马体中神经元群体的节律性放电几十年后，我才意识到大脑更关注自身，而不是周围发生的事情。这种认识为我的实验室带来了全新的研究议程。我们的实验以及其他小组的发现表明，神经元将它们的大部分活动用于维持大脑不断变化的内部状态，而不是受作用于我们感官的刺激控制。

在自然选择的过程中，生物体适应它们居住的生态位，并学会预测它们在这些生态位中的行动的可能结果。随着大脑复杂性的增加，更复杂的连接和神经元计算插入到运动输出和感觉输入之间。这种投入使预测更复杂和变化的环境中以及遥远未来的计划行动成为可能。更复杂的大脑也会组织自身，以便在感觉输入暂时消失且动物的动作停止时，计算能够继续进行。当您闭上眼睛时，您仍然知道自己在哪里，因为定义“看到”的大部分内容都植根于大脑活动。这种脱离接触的神经元活动模式提供了进入虚拟的、替代的或想象的体验世界的途径，并充当各种认知过程的门户。

让我提供一个大脑脱离接触模式运作的例子，这个例子来自我们对大脑颞叶的研究，该区域包括海马体、附近的内嗅皮层以及与导航的多个方面相关的结构（方向跟踪、速度、行进距离、环境边界等等）。

我们的研究建立在海马系统功能的前沿理论之上，例如约翰·奥基夫伦敦大学学院的壮观的诺贝尔奖获奖发现。奥基夫发现，动物在导航过程中海马神经元的放电与该动物的空间位置相关。因此，这些神经元被称为位置细胞。

当大鼠穿过迷宫时，不同的位置细胞集合会以顺序链的方式变得活跃，对应于它在旅程中的位置。从这个观察结果，人们可以初步得出结论，来自环境的不断变化的感觉输入控制着神经元的放电，这符合“由外而内”模型。

然而，包括人类在内的其他实验表明，这些相同的网络被用于我们的内部世界，这些世界跟踪个人记忆、参与计划和想象未来的行动。如果从“由内而外”的角度来研究认知，就会清楚地看到，通过物理空间或仅存在于想象中的景观的导航是由相同的神经机制处理的。

十五年前，我的实验室开始探索海马体中空间导航和记忆的机制，以对比“由外而内”和“由内而外”框架。2008 年，当时的博士后研究员 Eva Pastalkova 和我训练大鼠在迷宫的左右臂之间交替寻找水。在每次穿越迷宫的开始时，大鼠被要求在轮子上跑 15 秒，这有助于确保仅凭对迷宫路线的记忆，而不是环境和身体衍生的线索，使其能够选择迷宫的特定臂。我们推断，如果海马神经元像奥基夫的空间导航理论预测的那样“代表”迷宫走廊和轮子中的位置，那么无论大鼠是在走廊中还是在轮子中，都应该有一些神经元在每个点持续放电。相反，如果神经元的放电是由可以支持导航和记忆的内部大脑机制产生的，那么神经元放电的持续时间在所有位置（包括轮子内部）都应该是相似的。

这些实验的发现与“由外而内”的解释相悖。在记录的数百个神经元中，没有一个神经元在整个轮子运转过程中持续放电。相反，许多神经元以连续的序列短暂地一个接一个地放电。

显然，这些神经元不能被称为位置细胞，因为动物的身体在跑步轮的单个位置时没有位移。此外，在这个神经元轨迹中，单个神经元的放电模式与大鼠穿过迷宫臂时活跃的神经元的放电模式无法区分。

当我们根据大鼠未来选择左臂或右臂对单个试验进行排序时，神经元轨迹是唯一不同的。不同的轨迹消除了这些神经元序列是由步数计数、肌肉努力估计或来自身体的其他未检测到的反馈刺激引起的可能性。此外，独特的神经元轨迹使我们能够从动物进入轮子并贯穿轮子运转的时刻预测动物的迷宫臂选择，在此期间，大鼠必须记住之前访问过的臂。动物每次都需要正确选择交替的迷宫臂才能获得奖励[参见想象前方道路图]。

这些实验使我们得出这样的想法，即我们可以用来走到超市的神经元算法支配着内在化的精神旅行。脱离接触的导航带领我们经历构成个人回忆的一系列事件，称为情景记忆。

事实上，情景记忆不仅仅是对过去事件的回忆。它们还让我们展望未来以进行计划。它们充当一种“搜索引擎”，使我们能够探测过去和未来。这种认识也预示着命名法的扩展。这些实验表明，位置细胞活动的进展是内部产生的，作为为每个迷宫走廊选择的预配置序列。相同的机制，多种名称——因此它们可以被称为位置细胞、记忆细胞或计划细胞，具体取决于情况。

对脱离接触的回路操作的重要性的进一步支持来自动物在闲逛、无所事事、消耗奖励或只是睡觉时的“离线”大脑活动。当大鼠在迷宫探索后在家笼中休息时，它的海马体会产生短暂的、自组织的神经元轨迹。这些被称为尖波涟漪的现象发生在 100 毫秒的时间窗口内，并重新激活在迷宫运行的几秒钟内放电的相同神经元，概括了迷宫穿越期间发生的神经元序列。尖波涟漪序列有助于形成我们的长期记忆，并且对于正常的大脑功能至关重要。事实上，通过实验操作或疾病改变尖波涟漪事件会导致严重的记忆障碍[参见排练和回放图]。

过去十年在人类受试者和动物身上进行的巧妙实验表明，时间压缩的涟漪事件构成了一种内在化的试错过程，这种过程潜意识地为制定最佳策略、构建新的推论以及规划未来行动创造了真实或虚构的替代方案，而无需立即通过进行真正的探索来测试它们。从这个意义上说，我们的思想和计划是延迟的行动，而脱离接触的大脑活动是一种积极的、必不可少的大脑运作。相比之下，“由外而内”理论并没有试图为脱离接触的大脑在休息甚至睡眠中分配任何角色。

“由内而外”的意义

除了理论意义外，“由内而外”方法还有许多实际应用。它可能有助于寻找更好的脑部疾病诊断工具。当前的术语通常无法准确描述精神和神经疾病的潜在生物学机制。精神科医生意识到了这个问题，但由于对病理机制及其与症状和药物反应的关系的理解有限而受到阻碍。

“由内而外”理论也应被视为一些最流行的连接主义模型的替代方案，用于进行人工智能研究。它们的替代品可能会构建保持自身自组织活动并通过“匹配”而不是通过不断调整其电路来学习的模型。以这种方式构建的机器可以使其操作与电子传感器的输入脱离接触，并创建类似于内部认知过程的新型计算形式。

在真实的大脑中，通过与感官脱离接触来运作的神经过程与促进与周围世界互动的机制齐头并进。所有大脑，无论是简单还是复杂，都使用相同的基本原理。脱离接触的神经活动，同时通过外部经验进行校准，是认知的本质。我真希望当我聪明的医学生提出他们被我太快打发掉的合理问题时，我就拥有这些知识。